一种改进型混合式直流故障限流器及其参数设计方法与流程

1.本发明属于直流输/配/微电网领域，特别涉及一种改进型混合式直流故障限流器及其参数设计方法。


背景技术：

2.基于电压源换流器的柔性直流电网具有输电损耗小、输送距离远、功率灵活可控、无换相失败等突出技术优势，可以为电网提供更高的供电可靠性、设备冗余性及适应性更强的供电模式和灵活安全的潮流控制，并使得新能源大规模集中接入、孤岛供电、区域电网异步互联成为可能。然而柔性直流电网中发生短路故障后，储存在换流站子模块电容中的电能迅速释放，故障发展迅速。为确保柔性直流电网发生故障后换流站、非故障线路等构成的健全网络实现安全可靠的故障穿越，往往要求保护与直流断路器(dc circuit breaker, dccb)能够在换流站闭锁前快速有选择性地切除故障线路。否则，换流站就会由于绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor, igbt)自保护动作而迅速闭锁、退出运行。然而，现有直流保护与直流断路器动作速度均在几个毫秒的水平，无法匹配直流故障发展速度。因此，为降低直流故障的发展速度和危害程度，使系统实现安全可靠的故障穿越，有必要在直流电网中采取有效的故障限流措施。
3.对于柔性直流电网而言，故障限流器的设计必须满足以下要求：(1)故障后可靠限流：直流故障发展迅速，因此直流故障限流器需要在故障后迅速响应，并能够将直流故障电流峰值限制在系统运行的上限值以下(直至dccb跳闸)。
4.(2)dccb动作后不影响故障清除速度：dccb跳闸后，限流电感的续流作用将导致断路器断流速度大幅减慢。为加快故障电流的清除速度，需要实现限流器与断路器的协调配合，在dccb跳闸后迅速旁路电感，缩短断流时间。
5.(3)断流后可靠恢复：当限流器限流结束后，要求限流器能够在短时间内恢复至限流前的状态，从而为下次故障限流做准备。
6.(4)不影响系统的稳定运行：当系统正常运行过程中发生功率波动时，线路中的限流电感应该被快速旁路，以防止其对系统稳定性造成不利影响。
7.直接在线路两端串联限流电感是最为常见的直流故障限流方法。但是，在柔直系统中直接安装限流电感将延长直流断路器的故障电流清除时间，降低柔直换流站控制响应速度，甚至引起系统振荡。目前直流故障限流器主要可以分为超导故障限流器和电力电子型故障限流器两种类型。基于超导材料的超导故障限流器在系统正常运行时不体现阻抗，不会对系统稳定运行造成不利影响。故障以后，超导材料快速失超体现出限流阻抗，能够有效抑制故障电流。但是该类型故障限流器的工程推广应用仍有待大载流高温超导带材、超导材料快速恢复等方面的技术突破。电力电子型故障限流器是指由电力电子开关器件及电感、电阻或电容等电力元件组成的故障限流器。系统故障以后，通过控制电力电子开关的通断实现限流元件(电感/电阻)在不同工作阶段的投入与退出，以满足柔性直流电网对故障限流的技术要求。
8.电力电子型故障限流器易于工程实现，在柔直电网中具有极为突出的技术前景。但多数电力电子型故障限流器存在着拓扑结构与控制策略复杂、运行损耗及造价成本高等问题。


技术实现要素：

9.针对上述问题，本发明一种改进型混合式直流故障限流器及其参数设计方法，能够在柔性直流系统故障后可靠限流。
10.一种改进型混合式直流故障限流器，包括并联的限流电感l、能量耗散电路以及电阻r2；其中，能量耗散电路包括电阻r1、晶闸管组s和二极管组d，晶闸管组s和二极管组d反向并联后与电阻r1串联，晶闸管组s中的每个晶闸管的导通方向为线路侧指向换流站侧。
11.进一步的，电阻r1《《电阻r2。
12.进一步的，晶闸管组s包括n个依次串联的晶闸管，n个晶闸管中前一个晶闸管的阴极连接后一个晶闸管的阳极，n为大于等于2的正整数。
13.进一步的，二极管组d包括m个依次串联的二极管，m个二极管中前一个二极管的阳极连接后一个二极管的阴极，m为大于等于2的正整数。
14.进一步的，晶闸管组s中的第一晶闸管阳极与二极管组d中的第一二极管阴极连接，晶闸管组s中的第n晶闸管阴极与二极管组d中的第m二极管阳极连接。
15.进一步的，当改进型混合式直流故障限流器应用于柔性直流电网时，改进型混合式直流故障限流器设置在直流电网换流站出口和直流断路器之间。
16.本发明还提供一种用于所述改进型混合式直流故障限流器的控制策略，包括以下步骤：柔性直流电网正常运行期间，控制晶闸管组s中的所有晶闸管处于关断状态；接收到dccb的跳闸信号后，向晶闸管组s的所有晶闸管施加触发信号，使晶闸管组s在换流站侧故障工况的故障清除阶段导通，利用电阻r1耗能；在dccb跳闸后经过δt时间段后，撤销晶闸管组s的所有晶闸管触发信号。
17.进一步的，δt时间段为dccb跳闸动作后至重合闸所需的时间。
18.本发明还提供一种用于所述改进型混合式直流故障限流器的参数设计方法，包括以下步骤：根据限流阶段限流器与柔性直流电网的第一等效电路图，建立限流阶段限流器与柔性直流电网电流、电压模型；基于限流阶段限流器与柔性直流电网电流、电压模型，建立限流电感l支路电流第一关系式；基于限流阶段限流器与柔性直流电网电流、电压模型，建立换流站出口处故障电流峰值的第二关系式；建立电阻r2和换流站不闭锁允许流经换流站出口的最大电流值的第三关系式；建立换流站不闭锁允许流经换流站出口的最大电流值与换流站额定直流电流值的第四关系式；根据第三关系式和第四关系式确定电阻r2值；根据第二关系式和第四关系式确定
限流电感l值；建立电阻r1、电阻r2和限流电感l组成的rl回路衰减模型，基于rl回路衰减模型，根据确定的电阻r2值和限流电感l值确定电阻r1值。
19.进一步的，限流阶段限流器与柔性直流电网电流、电压模型具体如下：式中，i
dc
为直流电流；i
l
为限流电感l支路电流；i2为电阻r2支路电流；u
sm
为换流站子模块电压；rs、ls、cs分别为换流站等效电阻、电感及电容。
20.进一步的，第一关系式具体如下：式中：表示限流电感l支路电流；表示限流电感l支路两端的电压；为故障发生前限流电感中的电流；为dccb动作时刻。
21.进一步的，第二关系式具体如下：式中：换流站出口处故障电流峰值；u
dc
表示换流站两端的直流电压；u
dc
/r2表示经电阻r2支路馈入故障点的故障电流；u
dc
t
trip
/l表示经l支路馈入故障点的故障电流。
22.进一步的，第三关系式具体如下：式中：为比例系数，且,表示经电阻r2流通的故障电流与柔性直流电网允许最大故障电流的比值；u
dcn
表示换流站额定直流电压值；为保障换流站不闭锁允许流经换流站出口的最大电流值。
23.进一步的，第四关系式具体如下：式中：m为调制比；为功率因数；为换流站额定直流电流值；k1为换流站桥臂电流的过载系数，且k1》1；k2为换流站桥臂中开关管的额定电流与换流站桥臂额定电流的比值，且k2》1。
24.进一步的，根据第二关系式和第四关系式确定限流电感l值具体如下：式中，m为调制比；为功率因数；为换流站额定直流电流值；k1为换流站桥臂电流的过载系数，且k1》1；k2为换流站桥臂中开关管的额定电流与换流站桥臂额定电流的比值，且k2》1。
25.进一步的，建立电阻r1、电阻r2和限流电感l组成的rl回路衰减模型具体如下：式中，为r1与r2并联的等效电阻，为衰减时间常数，为可靠系数，且，δt为dccb跳闸动作后至重合闸所需的时间。
26.进一步的，基于rl回路衰减模型，根据确定的电阻r2值和限流电感l值确定电阻r1值具体如下：式中，为可靠系数，且，δt为dccb跳闸动作后至重合闸所需的时间。
27.本发明的有益效果：1、柔性直流系统稳态运行时，该限流器中的晶闸管t处于关断状态，电阻r2被电感l旁路，直流电流只流经电感l。在系统运行过程中发生功率波动的情况下，并联电阻r2能够提高系统的暂态响应速度及运行稳定性。
28.2、在限流器直流侧故障以后，该限流器中的限流电感与电阻共同投入，实现无延时限流；在限流器背侧发生故障以后，故障电流由对端换流站出口的限流器进行抑制，保证系统可靠故障穿越。
29.3、dccb跳闸后，晶闸管t被施以触发信号，将线路中的限流电感旁路，以实现故障电流的快速清除。
30.4、实现故障隔离后，限流电感中的续电流被电阻r1与r2吸收，大大降低dccb中避雷器容量需求。
31.5、在柔性直流系统正常运行中发生功率波动的情况下，能够在电阻r2的作用下提高系统的暂态响应速度，从而加速系统恢复稳定运行状态。
32.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1示出了根据本发明实施例的一种改进型混合式直流故障限流器的拓扑结构示意图；图2示出了根据本发明实施例的一种改进型混合式直流故障限流器应用于四端环型柔性直流配电网的配置方案示意图；图3示出了根据本发明实施例的一种改进型混合式直流故障限流器的控制策略流程示意图；图4出了根据本发明实施例的直流故障限流器在限流阶段的等效电路图；图5出了根据本发明实施例的直流故障限流器在忽略晶闸管的导通压降的等效电路图。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.需要说明的是，本技术中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便
这里描述的本技术的实施例。
37.针对目前柔性直流系统故障电流上升快、幅值高、故障传播迅速、危害范围广的问题，提出了一种改进型混合式直流故障限流器及其控制策略。
38.如图1所示，一种改进型混合式直流故障限流器，包括并联的限流电感l、能量耗散电路以及电阻r2，其中，能量耗散电路包括电阻r1、晶闸管组s和二极管组d，晶闸管组s和二极管组d反向并联后与电阻r1串联，晶闸管组s中的每个晶闸管的导通方向为线路侧指向换流站侧，电阻r1《《电阻r2。
39.晶闸管组s包括n个依次串联的晶闸管，n个晶闸管中前一个晶闸管的阴极连接后一个晶闸管的阳极，n为大于等于2的正整数。
40.二极管组d包括m个依次串联的二极管，m个二极管中前一个二极管的阳极连接后一个二极管的阴极，m为大于等于2的正整数。在一个实施例中，m=n。
41.晶闸管组s中的第一晶闸管阳极与二极管组d中的第一二极管阴极连接，晶闸管组s中的第n晶闸管阴极与二极管组d中的第m二极管阳极连接。
42.本发明实施例的改进型混合式直流故障限流器，在故障后以电阻电感并联的形式有效限制故障电流，并与dccb相配合提高断流速度；在系统正常运行过程中，该限流器利用并联电阻消除限流电感对系统稳定性的不利影响，提高系统的暂态响应速度。此外，本发明实施例的混合式直流故障限流器能够有效降低晶闸管的使用数量，从而降低造价成本。
43.本发明实施例的改进型混合式直流故障限流器应用于柔性直流电网时，改进型混合式直流故障限流器配置在柔性直流电网换流站的出口，以四端环型柔性直流配电网进行示例性说明。
44.在四端环型柔性直流配电网的各端直流电网换流站出口和直流断路器之间设置上述改进型混合式直流故障限流器。
45.具体的，如图2所示，在四端环型柔性直流配电网中设置直流故障限流器fcl1、混合式直流故障限流器fcl2、混合式直流故障限流器fcl3和混合式直流故障限流器fcl4。
46.直流故障限流器fcl1的第一端换流站s1出口连接，直流故障限流器fcl1的第二端与换流站s1出口断路器连接；直流故障限流器fcl2的第一端与换流站s2出口连接，直流故障限流器fcl2的第二端与换流站s2出口断路器连接；直流故障限流器fcl3的第一端与换流站s3出口连接，直流故障限流器fcl3的第二端与换流站s3出口断路器连接；直流故障限流器fcl4的第一端与换流站s4出口连接，直流故障限流器fcl4的第二端与换流站s4出口断路器连接。
47.如图3所示，本发明实施例还提供一种上述改进型混合式直流故障限流器的控制策略，包括以下步骤：s1、柔性直流电网正常运行期间，控制晶闸管组s中的所有晶闸管处于关断状态。
48.本步骤中，柔性直流电网稳态运行时，该限流器中的晶闸管组s中的所有晶闸管处于关断状态，电阻r2被限流电感l旁路，直流电流只流经限流电感l。在柔性直流电网运行过程中发生功率波动的情况下，并联电阻r2能够提高系统的暂态响应速度及运行稳定性。
49.s2、接收到dccb的跳闸信号后，立即向晶闸管组s的所有晶闸管施加触发信号，使晶闸管组s在换流站侧故障工况的故障清除阶段迅速导通，利用电阻r1耗能。
50.本步骤中，dccb跳闸后，晶闸管组s的所有晶闸管被施以触发信号，将线路中的限
流电感l旁路，以实现故障电流的快速清除。
51.限流器实现故障隔离后，限流电感l中的续电流被电阻r1与r2吸收，大大降低dccb中避雷器容量需求。在系统正常运行中发生功率波动的情况下，能够在电阻r2的作用下提高系统的暂态响应速度，从而加速系统恢复稳定运行状态。
52.在限流器直流侧故障以后，该限流器中的限流电感l与电阻r1、电阻r2共同投入，实现无延时限流；在限流器背侧发生故障以后，故障电流由对端换流站出口的限流器进行抑制，保证系统可靠故障穿越。
53.s3、在dccb跳闸后经过δt时间段后，撤销晶闸管组s的所有晶闸管触发信号，确保晶闸管组s的所有晶闸管可靠关断，其中，δt时间段为dccb跳闸动作后至重合闸所需的时间。
54.本发明实施例的一种改进型混合式直流故障限流器的控制策略，当柔性直流系统直流场侧故障时，具体控制原理如下：限流器直流场侧发生短路故障后，限流器中的限流电感l立即发挥限流作用。
55.dccb接收到保护信号并跳闸以后，在限流电感l感应电动势作用下，二极管组d中的所有二极管被导通，限流电感l中续电流经电阻r1与电阻r2并联电阻支路形成环流，且由于r1《《r2，续电流主要流经电阻r1。该方式实现了故障断流期间限流电感故障储能与线路故障储能的有效解耦，大幅减小dccb避雷器需要耗散的故障能量，从而提高故障电流清除速度。
56.在dccb避雷器的作用下，直流线路中的故障电流被迅速清除，随后dccb中的残余电流开关跳开，实现对故障点的物理隔离。与此同时，限流电感在故障限流过程中储存的能量会被电阻r1与r2吸收，使限流电感l中的续电流逐渐衰减至零。至此，限流器恢复到初始状态。
57.本发明实施例一种改进型混合式直流故障限流器的控制策略，当柔性直流系统换流站侧故障时，具体控制原理如下：当限流器的换流站侧发生短路故障后，限流器背侧换流站迅速向故障点馈流，为保护换流站桥臂中的电力电子器件，换流站迅速闭锁。此时直流电网中未闭锁换流站将继续通过直流线路向故障点馈入故障电流，因此直流线路中电流会迅速上升。对于背侧发生故障的限流器，故障电流会经过其中的电阻r1、r2与限流电感l支路流向故障点。由于电阻r1阻值较小，大量故障电流经电阻r1支路流向故障点，致使背侧发生故障的限流器无法可靠限流。但对于装设在其余换流站出口的限流器而言，故障点均位于限流器的直流侧，因此直流线路中的故障电流能够被可靠限制，以避免线路中短路电流过大造成直流电网中所有换流站全部闭锁，进而导致全系统功率传输的中断。此时系统中背侧无故障的限流器工作原理与直流场侧故障情况相同。
58.dccb跳闸后，直流线路中的故障电流在dccb中避雷器作用下迅速下降。此时晶闸管t被施以触发信号，使得其在限流电感的反电动势作用下导通。限流电感l在限流阶段储存的能量会以续电流的形式在限流器内部形成环流，此时线路中的限流电感被旁路，以实现故障电流的快速清除。
59.直流线路中故障电流在dccb中避雷器的作用下下降至零，剩余电流开关跳开。此时限流电感中的续电流被电阻r1与r2吸收，晶闸管组s的所有晶闸管可靠关断，限流器完成
恢复过程。
60.本发明实施例还提供一种上述改进型混合式直流故障限流器的关键参数设计方法，包括电阻r2的参数设计、限流电感l的参数设计和电阻r1的参数设计。
61.s101、限流电感l和电阻r2决定了直流故障限流器整体的限流效果，根据限流阶段限流器与柔性直流电网的第一等效电路图，如图4所示，建立限流阶段限流器与柔性直流电网的电流、电压模型（1），具体如下：(1)式中，i
dc
为直流电流；i
l
为限流电感l支路电流；i2为电阻r2支路电流；u
sm
为换流站子模块电压；rs、ls、cs分别为换流站等效电阻、电感及电容。
62.其中，柔性直流电网包括mmc（模块化多电平换流器，modular multilevel converter）、线路及直流断路器，限流器连接于换流站出口与出口断路器之间。
63.mmc由多个子模块构成，根据其结构可将其等效为电阻rs、电感ls与电容cs串联结构。
64.s102、基于限流阶段限流器与柔性直流电网电流、电压模型（1），建立限流电感l支路电流关系式（2），计算当dccb动作时，电感支路电流具体如下：
ꢀꢀ
(2)式中：表示限流电感l支路两端的电压；为故障发生前限流电感中的电流；为dccb动作时刻。
65.s103、基于限流阶段限流器与柔性直流电网电流、电压模型（1），建立换流站出口处故障电流峰值的关系式（3），计算换流站出口处故障电流峰值具体如下：(3)式中：u
dc
表示换流站两端的直流电压；u
dc
/r2表示经电阻r2支路馈入故障点的故障电流；u
dc
t
trip
/l表示经l支路馈入故障点的故障电流。
66.s104、为减小r2对故障电流峰值的影响，保障直流故障限流器可靠限流，根据保障换流站不闭锁允许流经换流站出口的最大电流值和额定直流电压值，建立电阻r2和换流站不闭锁允许流经换流站出口的最大电流值的关系式（4），确定电阻r2值具体如下：(4)式中：为比例系数，且,表示经电阻r2流通的故障电流与柔性直流电网允许最大故障电流的比值；u
dcn
表示换流站额定直流电压值；为保障换流站不闭锁允许流经换流站出口的最大电流值。
67.需要说明的是，会对故障电流峰值的大小产生影响，且可认为其为常数值，对故障电流的上升速率起决定性作用。
68.其中，建立换流站不闭锁允许流经换流站出口的最大电流值与换流站额定直流电流值的关系式（5），具体如下：
ꢀꢀꢀ
(5)式中：m为调制比；为功率因数；为换流站额定直流电流值；k1为换流站桥臂电流的过载系数，且k1》1；k2为换流站桥臂中开关管（igbt）的额定电流与换流站桥臂额定电流的比值，且k2》1。
69.s105、为避免故障后换流站闭锁，应将换流站出口故障电流峰值限制在保障换流站不闭锁允许流经换流站出口的最大电流值以下，即：(6)s106、根据关系式（3）和关系式（5），确定限流电感l值具体如下：(7)s107、在理想状态下，忽略晶闸管组s的所有晶闸管的导通压降，获得晶闸管组s的所有晶闸管的导通阶段限流器与直流系统的第二等效电路图，如图5所示。
70.第二等效电路图中，为限流电感l在直流故障限流器内部的环流；为避雷器残压；为r1与r2并联的等效电阻，。
71.s108、在故障清除阶段，假设断流过程中电流下降速率不变，则避雷器投入后，线路中的电流i
dc
可以表示为：(8)式中，t为自然时间变量，该式表示避雷器投入后线路中直流电流随时间的变化关系。
72.s109、由式(8)可得线路中电流由i
dc_p
下降至0所需的时间t为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)s110、则避雷器投入后从换流站馈出的能量e1可表示为：
ꢀꢀꢀꢀ
(10)s111、从dccb动作至直流故障限流器完成恢复的过程中，直流故障限流器电阻吸收的能量可表示为：(11)s112、故障清除阶段避雷器吸收的能量为：(12)式中：，，分别表示限流电感与换流站等效电感在dccb动作时刻储存的能量。
73.根据式(11)、(12)可知，越小，电阻支路吸收的能量越多。而在r2取值确定的情况下，r1取值越小，越小。因此从故障电流清除的角度考虑，应尽可能减小r1，从而进一步减少避雷器所需吸收的能量，加快故障电流清除。
74.在直流故障限流器恢复阶段，限流电感中的续电流在电感与电阻构成的一阶rl回路中渐渐衰减，其衰减时间常数为l/r
eq
。若电阻取值过小，将延长直流故障限流器的恢复时间。若直流故障限流器无法在dccb重合前恢复至初始状态，将导致线路再次故障后直流故障限流器无法正常投入工作。在工程实际中，经过5个衰减时间常数后即可认为rl回路中的电流衰减至0。
75.s113、为确保直流故障限流器在dccb重合前完成恢复，应当使限流电感中的续电流在dccb重合前被电阻吸收至0，建立电阻r1、电阻r2和限流电感l组成的rl回路衰减模型，即：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)其中，=l/r
eq
；；式中：为可靠系数，且。
76.根据式(13)可计算得到r1的取值需满足的条件为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)通过上述参数设计方法获得的直流故障限流器，克服现有限流技术的缺点，能够在柔性直流系统故障后可靠限流，在系统发生功率波动时防止系统失稳，且直流故障限流器的拓扑及控制策略简单，成本较低。
77.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。